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物探与化探  2023, Vol. 47 Issue (4): 965-974    DOI: 10.11720/wtyht.2023.1369
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基于正则化理论的时频分析方法及应用
张金强1,2,3()
1.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室,北京 102206
2.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京 102206
3.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100026
A regularization theory-based method for time-frequency analysis and its applications
ZHANG Jin-Qiang1,2,3()
1. Key Laboratory of Shale Oil and Gas Exploration & Production,Sinopec,Beijing 102206,China
2. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute,Beijing 102206,China
3. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development,Beijing 100026,China
全文: PDF(6166 KB)   HTML
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摘要 

时频分析方法在地震勘探中有广泛的应用,因而获得具有良好时频分辨率的时频分析算法至关重要。传统的时频分析方法存在着一定的局限性,为克服这些局限性,提出了基于正则化理论的时频分析方法。该方法认为,短时窗信号是不同频率谐波的叠加,应从求解反问题的角度考察时频分析问题。在此视角下,时频分析问题具有不适定性,为得到有意义的时频谱,需要在正则化理论框架下进行时频分析。考察了正则化理论中常用的L1范数约束、L2范数约束以及最小支撑约束条件下的求解方法,并将3种约束函数的求解方法统一到同一个求解框架中。通过数值分析表明,最小支撑约束的时频分析方法具有较高的时频分辨率。将方法系统应用于一个特定研究区的实际资料,获得了具有较高时频分辨率的时频数据体,并利用单频数据体清晰刻画了储层的平面展布范围,展示了方法良好的应用前景。

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张金强
关键词 时频分析正则化理论L1范数约束L2范数约束最小支撑约束时频谱    
Abstract

Time-frequency analysis (TFA) has been widely used in seismic exploration,thus it is crucial to develop a TFA algorithm with high time-frequency resolution.Given the limitations of conventional TFA methods,this study proposed a TFA method based on the regularization theory.The proposed method considers the signal in a short-time window as a superposition of harmonics with different frequencies and takes the TFA problem as an inverse problem.From this perspective,the TFA problem is ill-posed and needs to be solved based on the regularization theory to get a significant time-frequency spectrum.The solution methods under the conditions of L1 and L2 norm constraints and the minimum support constraint are commonly used in the regularization theory.This study investigated these solution methods and unified them into the same solution framework.Numerical analysis shows that the TFA method under the condition of the minimum support constraint yielded high time-frequency resolution.This method was systematically applied to the actual data of a specific study area,producing a time-frequency data volume with high time-frequency resolution.Moreover,the planar reservoir distribution was clearly characterized using a single-frequency data volume,demonstrating the promising application prospect of the method.

Key wordstime-frequency analysis    regularization theory    L1 norm constraint    L2 norm constraint    minimium support constraint    time-frequency spectrum
收稿日期: 2022-07-22      修回日期: 2023-02-01      出版日期: 2023-08-20
ZTFLH:  P631.4  
基金资助:中石化科技攻关项目“常压页岩气地球物理评价技术研究”(P21087-3);“麻黄山西区延长—延安组有效开发关键技术”(P22184)
作者简介: 张金强(1970-),男,博士,高级工程师,1991年获中国石油大学(华东)勘查地球物理专业学士学位,1994年、1998年分别获中国石油大学(北京)应用地球物理专业硕士学位、应用地球物理专业博士学位;现就职于中国石化股份公司石油勘探开发研究院,主要从事岩石物理、地震储层预测等科研工作。Email: zhangjq.syky@sinopec.com
引用本文:   
张金强. 基于正则化理论的时频分析方法及应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 965-974.
ZHANG Jin-Qiang. A regularization theory-based method for time-frequency analysis and its applications. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(4): 965-974.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2023.1369      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2023/V47/I4/965
Fig.1  两个单频信号的合成信号
a—20 Hz正弦信号;b—50 Hz正弦信号;c—图1a、b中两个信号的合成信号
Fig.2  不同时频分析方法得到时频谱对比
a—CWT时频谱;b—RL2TFS时频谱;c—RL1TFS时频谱;d—RMSTFS时频谱
Fig.3  40 ms汉宁窗作用于雷克子波得到的信号及其对应的频谱
a—40 ms汉宁窗函数及雷克子波叠合;b—汉宁窗作用于雷克子波得到信号;c—不同时频分析方法计算图3b信号的频谱曲线
Fig.4  20 ms汉宁窗作用于雷克子波得到的信号及其对应的频谱
a—20 ms汉宁窗函数及雷克子波叠合;b—汉宁窗作用于雷克子波得到信号;c—不同时频分析方法计算的图4b信号的频谱曲线
Fig.5  顶底反射系数相同不同时间厚度地层的合成地震记录及不同算法计算的时频谱
a—地震反射系数序列;b—合成地震道;c—CWT时频谱;d—RMSTFS时频谱
Fig.6  顶底反射系数相反不同时间厚度地层的合成地震记录及不同算法计算的时频谱
a—地震反射系数序列;b—合成地震道;c—CWT时频谱;d—RMSTFS时频谱
Fig.7  不同厚度反射系数对调谐滤波器的响应曲线
a—图5a中部分反射系数对的调谐滤波器响应曲线;b—图6a中部分反射系数对的调谐滤波器响应曲线
Fig.8  连续小波变换和最小支撑约束稀疏谱得到不同频率的能谱剖面
a—连续小波变换10 Hz能谱剖面;b—RMSTFS 10 Hz能谱剖面;c—连续小波变换20 Hz能谱剖面;d—RMSTFS 20 Hz能谱剖面;e—连续小波变换60 Hz能谱剖面;f—RMSTFS 60 Hz能谱剖面
Fig.9  连续小波变换及最小支撑约束稀疏时频分析得到10 Hz能谱剖面对比
a—连续小波变换10 Hz能谱剖面(局部放大);b—最小支撑约束时频分析10 Hz能谱剖面(局部放大)
Fig.10  不同算法计算的能谱沿层切片
a—连续小波变换10 Hz能谱沿层切片;b—最小支撑约束时频分析10 Hz能谱沿层切片
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